煤矸石填充热塑性聚合物复合材料的制备及断裂破坏行为研究

论文摘要

本文研究了利用煤矸石作为填料，对PVC，PP，PE等聚合物进行填充制备低成本复合材料的可行性，并运用基本断裂功（EWF）方法研究了部分材料的结构形态，煤矸石含量等因素对材料断裂破坏行为的影响。在研究乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA，VA含量28％）用量对聚氯乙烯（PVC）/EVA共混物相形态影响时，通过基本断裂功方法分析不同组成共混物断裂行为的变化趋势，发现共混物相形态的变化对材料的断裂韧性有较大的影响。在EVA用量较低（低于7phr）时，共混物中的EVA弹性体基本上都是以细小粒径的独立粒子分布的。随EVA用量增加，PVC/EVA共混物的EVA粒子数量增多，间距减小，材料的比基本断裂功we值逐渐增大。共混物we值的增大主要决定于成颈-撕裂阶段，因为屈服前的比基本断裂功we,y均有所减小，而屈服后比断裂功we,n随EVA的增加而显著增大。当EVA用量增加到9phr时，粒子间出现显著的粘连现象，材料we值则出现较大的下降，其中we,y和we,n同时减小。另一方面，随EVA用量增加（0-9phr），材料的比非基本断裂功βwp均变化不明显。在对PVC/EVA共混体系的研究基础上选择适当配方添加煤矸石研究了EVA包覆的煤矸石含量对PVC/EVA/煤矸石三元复合材料力学性能的影响。结果表明，随包覆煤矸石含量的增加，复合材料的拉伸强度下降，下降幅度随添加量保持一致，复合材料的断裂伸长率也随包覆煤矸石的增加而降低。同时随包覆煤矸石含量的增加，复合材料的冲击强度出现大幅度下降，但随着包覆煤矸石粒子含量的继续增加，复合材料的冲击强度几乎保持一致。通过控制加工工艺，在PP中大量添加用EPDM包裹的廉价煤矸石填料，同时，通过加入EPDM改性并控制材料内部结构获得具有一定性能的廉价复合材料。试验结果表明，EPDM的包覆能有效增加煤矸石与基体间的联系，改善其在基体中的分散。添加EPDM包覆煤矸石的核—壳状母料，复合材料的冲击强度出现大幅度降低，但当煤矸石含量大于18wt-％，复合材料的冲击强度随母料含量的继续增加而维持在11KJ/m2左右，其降低幅度小于直接添加煤矸石的煤矸石/PP二元复合材料。拉伸强度及断裂韧性（we）随母料的加入都有所降低，但在煤矸石含量小于18wt-％时降低幅度较小，当煤矸石含量大于18wt-％时降幅较大，与直接添加煤矸石的PP二元复合材料相比，性能降低幅度较小。在用煤矸石填充PE制备薄膜的研究中采用不同方法对煤矸石进行了表面处理，研究结果表明，用煤矸石填充能够吹塑出具有一定性能的PE膜，对煤矸石进行表面处理后，薄膜各方面性能均有所提高，在煤矸石填充量为20wt-％时，薄膜具有一定性能，当煤矸石填充量达到30wt-％后，薄膜拉伸强度有一定提高，但断裂伸长率及撕裂强度均有所下降，用PP-g-MA对煤矸石的处理效果最好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 煤矸石及其应用现状
• 1.1.1 煤矸石简介
• 1.1.2 煤矸石的综合利用及开发
• 1.1.2.1 固体废弃物的处理原则
• 1.1.2.2 煤矸石综合利用的现有途径
• 1.2 热塑性塑料的填充材料应用现状
• 1.3 填充聚合物复合材料形态控制及制备
• 1.3.1 填料的表面改性
• 1.3.2 在填料表面包裹柔性层
• 1.4 断裂韧性的研究现状
• 1.4.1 断裂韧性的意义及评价
• 1.4.2 基本断裂功方法
• 1.4.2.1 基本理论
• 1.4.2.2 测试条件
• 1.5 本论文的研究目的和意义
• 参考文献
• 2 PVC/EVA共混物及其煤矸石复合材料的制备及结构与性能
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 试样制备
• 2.1.3 断面形貌观察
• 2.1.4 断裂行为测试
• 2.1.5 力学性能测试
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 PVC/EVA共混物的形态与断裂行为
• 2.2.1.1 微观形态
• 2.2.1.2 载荷—位移曲线
• 2.2.1.3 塑性变形
• 2.2.1.4 断裂功参数
• 2.2.2 EVA包覆煤矸石填充PVC复合材料的力学性能
• 2.2.2.1 拉伸性能
• 2.2.2.2 冲击性能
• 2.3 本章小节
• 参考文献
• 3 EPDM包覆煤矸石填充PP复合材料的制备及组成与性能
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 试样制备
• 3.1.3 力学性能测试
• 3.1.4 断裂行为测试
• 3.1.5 断面形貌观察
• 3.1.6 DSC测试
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 微观形态
• 3.2.2 DSC测试
• 3.2.3 力学性能
• 3.2.4 载荷—位移曲线
• 3.2.5 断裂功参数
• 3.3 本章小节
• 参考文献
• 4 表面处理煤矸石填充PE薄膜的制备及其性能
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 试样制备
• 4.1.3 力学性能测试
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 硬脂酸处理的煤矸石
• 4.2.2 硅烷偶联剂处理的煤矸石
• 4.2.3 PP-g-MA处理的煤矸石
• 4.3 本章小节
• 参考文献
• 5 总结
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢